夹层力学特性对盐岩储库稳定性影响的模拟分析

针对在层状盐岩构造中修建储库时,夹层对储库长期稳定性具有重要影响这一关键问题,建立储库三维单腔模型,通过数值试验,讨论了含不同厚度软、硬夹层的盐岩储库在不同运行内压长期作用下的稳定性,详尽分析了各种工况下的腔体收缩率,围岩塑性区及腔体最大位移分布。结果表明:随腔体含软夹层厚度增大,腔体收缩率呈略微上涨,而随硬夹层厚度增大,则出现较明显的下降。软夹层厚度的变化对围岩塑性区影响并不明显,硬夹层厚度的变化则会带来比较明显的影响,且含软、硬夹层腔体塑性区分布在夹层处存在显著差异,另外软夹层对塑性区的影响要比硬夹层小得多,且塑性区对随内压增加而减小的现象反应更为敏感,硬夹层在低压下比软夹层更容易破裂。含软夹层腔体最大位移量发生在夹层处,含硬夹层腔体最大位移量发生在盐岩处。最后综合分析发现,小厚度的硬夹层,大厚度的软夹层,对腔体的稳定性更为不利。     

露天矿高陡边坡软岩蠕变-大变形试验及本构模型北大核心

为探寻露天矿高陡边坡软岩蠕变-大变形规律,开展了软岩常规压缩、峰值前压缩蠕变和峰值后压缩蠕变等试验。试验结果显示:软岩常规应力-应变曲线表现出了明显的弹脆塑性向弹塑性转化的趋势,由于软岩的强度较低,该现象更加明显;软岩蠕应变对围压的敏感度较高,峰值前低围压时弱层软岩的蠕应变由2.5%增大到14.5%,说明软岩在低围压、高应力作用下具有典型的大变形特征;峰值后弱层软岩的蠕应变变化较小,说明其峰值后蠕变特性不稳定;峰值前的黏滞系数受围压的影响大,随着围压的增大,K体与M体的黏滞系数逐渐减小;围压对峰值后的黏滞系数影响较小,但对K体黏滞系数影响的要较M体的大,软岩会由弹性阶段向塑性阶段转化。在试验研究的基础上,建立了软岩BNSS蠕变-大变形本构模型。     

软岩蠕变的温度效应及实验分析

以砂岩为例，扩展到软岩，认为软岩蠕变是“强化作用”和“弱化作用”动态变化的过程，蠕变的各阶段发生与否和“弱化”“强化”强度对比有关。通过包含温度的砂岩单轴、三轴蠕变实验，并进行数据分析，得到结论：软岩蠕变的发生，力是主导因素，热是辅助影响因素，进一步地，应力差是主导因素。温度升高，软岩蠕变总量、起始蠕变量、瞬时热应变、蠕变速率都增大。因此，在深部软岩工程的设计中，应考虑岩体蠕变的温度效应。     

层状盐岩力学特性及蠕变破坏模型

以湖北云应盐矿地下600～700m的含泥岩夹层的层状氯化钠盐岩试件为研究对象,进行常规力学实验和不同应力批次下的单轴压缩蠕变试验,发现层状盐岩是一种特殊的组合软岩,其弹性模量比较少,盐岩层横向变形能力很大.蠕变试验得出:(1)在充分长的蠕变时间内,层状岩盐蠕变的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段显现明显,且加速蠕变阶段持续时间较长;(2)在稳态蠕变阶段出现了夹层内陷和盐岩层外鼓现象.这种不协调蠕变将导致层面的剪切错动.建立层状岩盐蠕变破坏模型,定义层状盐岩蠕变损伤变量为盐岩试件环向拉应变与盐岩的极限拉应变之比,从理论上揭示了夹层与盐岩层蠕变特性的差异而导致盐岩层蠕变破坏机理,较好地解释了夹层首先劈裂破坏,带动盐岩互层张拉裂纹扩展的实验现象.     

含夹层盐岩蠕变特性试验及其本构关系

为了解某拟建盐穴储库围岩含夹层盐岩的蠕变特性,对该库址含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行了不同围压下三轴压缩蠕变试验,分析了其蠕变变形规律。实验结果表明：含夹层盐岩初始蠕变阶段的持续时间大于泥岩试件而与盐岩试件基本相同,即第1蠕变阶段的持续时间主要由层状盐岩试件中盐岩体部分决定;第2蠕变阶段的稳定蠕变速率则随着泥质夹层含量的不同呈现较大的差异,在相同应力条件下,含泥质夹层盐岩试件的蠕变速率小于盐岩而大于泥岩。根据3种岩样第2蠕变阶段的蠕变特性,基于含泥质夹层盐岩试件中泥质夹层的体积分数,推导了含夹层盐岩蠕变力学参数与纯盐岩及纯泥岩蠕变参数的关系。     

复合岩层三轴压缩蠕变力学特性数值模拟研究

进行了泥岩与煤的三轴压缩蠕变试验并对蠕变试验结果进行分析,结果表明泥岩与煤在三轴压缩条件下的蠕变特性均可以采用Burgers模型进行描述。分别采用泥岩与煤的蠕变参数作为软、硬岩石材料参数建立了软硬互层复合岩样数值模型,分析了不同层间距、软硬岩体积比及层间界面倾角下复合岩样的蠕变特性。结果表明,软硬岩复合岩样蠕变特性同样满足Burgers模型流变规律;相同应力条件下复合岩样的瞬时应变及稳态蠕变速率均随软岩体积比的增大非线性增大;相同软硬岩体积比下,复合岩样的瞬时应变、黏性应变及稳态蠕变速率受层间距的影响不大;层间倾角由0°增大至60°时复合岩体瞬时应变先增大后减小,稳态蠕变速率则先减小后增大,层间倾角由60°增大至90°时,瞬时应变与稳态蠕变速率均先减小后增大。分析结果对软硬互层岩体蠕变特性的研究具有一定的参考意义。     

富水软岩的蠕变特性实验及非线性剪切蠕变模型研究

富水软岩巷道变形速度快,变形量大,巷道支护困难,建立描述该类软岩特性的流变模型是解决该问题的关键。通过不同含水率软岩的直剪蠕变试验表明:在同一剪应力水平下,随着含水率的上升,软岩瞬时弹性模量、极限变形模量和黏滞系数将下降,蠕变速率先增大后减小,加速蠕变的破坏时间缩短;在同一含水率条件下,随着剪切应力的增加,软岩瞬时剪切位移量、蠕变变形量和衰减蠕变段的曲率半径都逐渐增大。依据含水软岩蠕变的非线性特征,建立了能够描述含水软岩蠕变特性的非线性剪切流变模型,基于BFGS算法和通用全局优化法对模型参数进行识别,识别结果与试验曲线吻合较好,表明所建模型的正确性和合理性,该成果可为深部复杂地质力学环境下的富水软岩巷道稳定性研究提供参考。     

海域第三系软岩巷道围岩蠕变控制研究

根据岩石和围岩的蠕变机理以及软岩流变控制原则,建立海域第三系软岩巷道围岩蠕变最优支护计算方法,求出软岩支护的两个重要参数,即最优(小)支护力和围岩最大允许变形量。     

基于扰动因子的软岩扰动蠕变本构模型

动力扰动下处于极限强度的深井软岩巷道围岩具有流变变形量大,变形速率快的变形特征,致使软岩巷道支护困难和灾害频发。为了研究软岩在动力扰动下蠕变破坏特征及本构模型,通过自主研制的岩石扰动蠕变实验系统对泥页岩进行了分级加载流变实验,试验结果表明:非稳定蠕变曲线在扰动前后流变变形明显不同,当施加应力水平较小时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),每次扰动的瞬间会使岩石应变突变,但突变值随后逐渐回弹,最终岩石变形速率趋于一个稳定值;当应力水平较大时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),岩石经过多次扰动后,当积累能量达到岩石破坏能量时,诱使岩石发生加速流变,而原处于蠕变第Ⅲ阶段的岩石的蠕变速率加快,缩短了岩石破坏的时间。基于岩石扰动状态理论,提出一个以扰动能量和扰动次数为自变量的扰动因子函数,以它为权重函数与NRC模型有机结合,建立了软岩流变扰动效应的本构模型并对模型参数进行识别,结果表明理论曲线与实验曲线吻合较好,验证了该模型能够正确性地描述动力扰动下软岩蠕变特征,该成果对于深部地下工程的稳定性研究具有参考价值。     

高应力软岩巷道蠕变控制机理及支护技术

为了解决长期处于高地应力环境下的软岩巷道持续蠕变的难题,通过对软岩巷道围岩质点的应力状态进行分析,得到了一种降低围岩蠕变动力的新原理,即:"强表抑蠕"原理。同时根据该原理提出了一种增强围岩表面强度的双层网壳锚喷高强支护关键技术,并且通过现场工业性试验论证了该支护方法比普通锚喷支护更能有效的抑制软岩巷道的蠕变。     

软岩屈服面流变本构模型及围岩稳定性分析

用先高围压固结再卸载的三轴剪切蠕变试验方法模拟深部矿井软岩巷道开挖过程中应力状态随时间的变化过程,通过大量的试验获得:在试验围压范围内软岩蠕变强度包络线可以用Mogi-Coulomb准则来描述;侧向卸荷条件下软岩具有十分明显的剪胀性,且体积应变占总应变的10%～20%。为了全面反映极软岩在卸载状态下的蠕变变形规律,提出了考虑体积变形的Mogi-Coulomb屈服面型流变本构力学模型。对淮南某深部矿井软岩三轴蠕变试验和巷道开挖支护过程进行了有限元数值模拟,结果表明:提出的蠕变本构模型能够较好地反映软岩的剪胀性和体积应变等蠕变变形规律,数值模拟结果和现场实测吻合良好。     

渗流对泥质页岩蠕变规律的影响

地下水渗流易引发深部岩体工程地质灾害,而深部岩体中泥质页岩对渗流极为敏感,本文就渗流对泥质页岩的蠕变影响进行研究,基于软岩工程力学和岩石力学理论,将泥质页岩视为多孔介质,渗流视为流体在孔隙中的管流,用单向流体在多孔介质中渗流的固流耦合数学模型作为力学模型,结果表明渗流是影响软岩蠕变变形的重要因素,蠕变量和蠕变速率都随渗流量的增加呈现非线形增大。     

露天矿软岩复合边坡变形机理分析

为研究露天矿软岩复合边坡的变形机理,以新疆某露天矿设有排土场的东帮复合边坡为研究对象,根据排弃高度、端帮与排土场距离两因素制定4种模拟方案,采用FLAC3D进行数值模拟,通过对4种方案的水平位移及监测点位移随时步变化的模拟结果进行分析,得出随着排土场排弃越高,排土场距东帮距离越远,边坡最大水平位移位置向边坡内侧移动;监测点位移随时间起初小幅波动,中期下降较快,后期平稳的变化趋势;变形过程中由于下部岩体对上部排土场的约束作用减小和排土场对下部岩体的挤压作用产生边坡变形连锁效应,加快边坡变形。对边坡变形机理从复合、软岩、开挖3个方面进行详细的分析,得出不同工况下边坡潜在滑移模式:拉裂-蠕滑、拉裂-切层-蠕滑、拉裂-切层-蠕滑-剪出。在失稳型边坡蠕滑机理基础上提出稳定型边坡蠕滑机理,主要包括初始变形阶段、减速蠕变阶段、等速蠕变阶段、减速蠕变阶段Ⅰ、减速蠕变阶段Ⅱ等5个阶段,并通过数值模拟对该机理进行了验证,稳定型边坡蠕滑机理对边坡滑移的预防具有一定指导意义。     

采场覆岩复合关键层的判别条件

当采场覆岩中存在两层邻近坚硬岩层时，在一定条件下会形成复合岩层，整体变形破坏，其强度和刚度将大大加强，将对整个采动覆岩变形、破断、移动全过程产生影响。利用现代力学原理，推导出了两层硬岩中间有一层软弱夹层时，能形成复合岩层的条件是软弱夹层与硬岩接触面上的剪应力不超过接触面上的抗剪强度，据此建立了能形成复合岩层的判别公式，将复合岩层用一等效单一岩层代替，即可用单一关键层的判别方法判别复合关键层。     

非均匀软岩蠕变机理分析

为了对工程围岩的蠕变现象进行解释,探明软岩的蠕变本质,根据岩石压缩过程中变形、弱化本构关系以及变形与承载能力的关系,采用岩石最弱断面并联微元体模型,对非均匀软岩的衰减蠕变和非衰减蠕变机理进行了分析,研究表明,非均匀性岩石内部各点承载能力不同使得变形后岩石内部各点屈服弱化不同步,又由于岩石晶体内部空位或杂质的扩散,二者共同作用导致岩石蠕变．通过对截面积相同,高径比分别为1．5和2．5的页岩岩样进行蠕变试验,验证了岩石的非均匀性是造成岩石蠕变的一个不可忽视的重要因素．     

一种软岩结构面流变的新力学模型

软岩结构面的蠕变过程存在着表面粗糙突起阻滞作用和摩擦阻滞作用两种机制。前者在蠕变变形的初期阶段占主导，后者在粗糙突起被剪断后占主导。当外界应力水平较低时，其蠕变只表现为衰减蠕变和稳定蠕变两个阶段；当外界应力水平增加到足以克服摩擦阻滞作用时，蠕变加速破坏便会直接突发。为了对其进行全面描述，本文提出采用一种带质量粘缸（NN）和经验塑性体（EM）与传统的塑性体（S）、线性粘缸（N）、Kelvin体和虎克体（H）组合，得到了一种新的复合流变力学模型。有关分析计算表明，该模型能真实反映软岩结构面蠕变的实际，可在工程实践中推广应用。     

采动底板的岩性组合效应研究

采用FLAC3D软件建立了3种软硬岩不同组合形式的底板采动效应数值计算模型,探讨了不同岩性组合类型底板的应力分布、位移以及破坏深度变化规律。研究结果表明:软-硬-软组合底板破坏区在采掘工作面下方最大,贯穿硬岩夹层,而硬-软-硬组合底板类型由于存在软岩夹层,使得整体受到破坏,其底板破坏深度略低于均质硬岩底板。硬岩层内则易形成高应力集中区。     

软硬互层顺层岩质边坡稳定性影响因素及失稳机理研究

软硬互层顺层岩质边坡的稳定性受多种因素影响,并且失稳机理十分复杂,难以进行针对性的防治。针对软硬互层顺层岩质边坡稳定性的影响因素,通过FLAC3D进行数值模拟,从岩层倾角、软硬岩层厚度比和岩性组合进行了研究。计算结果表明:随着岩层倾角的增大,顺层边坡从整体呈推移式破坏转向沿软硬岩接触面分层滑动;软岩和硬岩厚度的增加均会导致边坡稳定性下降,但是硬岩厚度大时,边坡主要沿软岩夹层滑动;黏聚力对边坡稳定性的影响要比内摩擦角大。     

深井软岩巷道围岩变形特性的研究

阐述了软岩和深井软岩的共性和区别，结合实测资料，分析了深井软岩巷道围岩变形的“时间效应”，底鼓是巷道围岩垂直方向变形的主要形式，围岩组合拱主要承受原岩应力的作用，这些规律对治理深井软岩巷道围岩变形具有重要意义。     

油气钻井组合载荷破岩数值试验研究

机械破岩是各类油气井钻进工程中重要的基础技术。运用岩石破裂分析系统RFPA,对不同组合载荷加载条件下压头侵入破碎硬岩(花岗岩)和软岩(页岩)情况进行了数值试验,采用声发射能量作为表征岩石破碎效果的指标。结果表明:较小的单一静载荷或动载荷破碎软岩可取得良好的破岩效果,但对硬岩则效果不佳;不论软岩还是硬岩,静、动组合载荷破碎岩石单元数量和声发射能量均大于单一静载荷或动载荷;声发射能量可以作为衡量最终破岩效果的指标。